多波束測深數據的誤差分析與處理

1、第23卷第1期1998年3月武漢測繪科技大學學報March1998多波束測深數據的誤差分析與處理朱慶李德仁(武漢測繪科技大學地理信息系統(tǒng)研究中心,武漢市珞喻路129號,430079)摘要在系統(tǒng)分析多波束測深數據的誤差來源與性質的基礎上,介紹了條帶式多波束測深儀所采用的誤差處理的理論模型。針對海洋測量的特點,特別強調了基于趨勢面分析的粗差探測與剔除和相鄰條帶數據的整體拼接以及對航向誤差的改正等關鍵問題。本文介紹的誤差處理模型對保證多波束測深系統(tǒng)必要的精度和數據質量有著重要的實際意義。關鍵詞多波束測深儀;誤差處理;粗差;條帶拼接;航向改正分類號P207;P22911近年來,要,量設備,效率,(又稱

2、高精)作為高效率、高精度和高分辨率的一種船載海底地形測繪設備受到了普遍的重視1。多波束條帶測深系統(tǒng)在向海底發(fā)射一次聲波的過程中,能獲得兩側一個條帶上許多點的海深數據,一般測得的水深數據為沿航向、寬是深度3倍左右的一個條帶,并且相鄰條帶之間有一定的重疊,即獲得海區(qū)全覆蓋海底地形。利用條帶測深設備獲得的深度數據以及相關的船舶定位和姿態(tài)等信息,便可以繪出高分辨率高精度的海底地形圖。多波束條帶測深系統(tǒng)最終給出的是以海平面為參考,以海深為參數的海底地形圖。由于船舶的運動,加上海平面經常受到潮汐和氣象條件的影響而時漲時落,還有魚和水草等反回的假回聲等復雜原因,最后所得海區(qū)地形資料的精度不僅依賴于各種先進的

3、硬件設備,還依賴于完備的輔助數據和先進的數據處理技術。海底地形測量不同于一般地面測量。在海上,測量工作必須在不斷運動著的海面上進行,因此就某點而言,無法進行重復觀測,而其連續(xù)觀測的結果總是對應著與原觀測點接近但又不同點的觀測數據,所以不存在平差問題。要提高海底地形測繪的精度,只有分析各種因素,對水深觀測結果進行改正。由于影響測深數據質量和精度的主要因素是儀器誤差和外界環(huán)境因素,而儀器誤差一般收稿日期:1996211225.,所以測繪精度的關鍵主要取決于對諸如由于魚和水草等反回的假回聲(即粗差)和由于艦船偏航及各項系統(tǒng)誤差改正的殘差造成的條帶扭曲等誤差的處理。對于粗差,傳統(tǒng)方法需在野外或在測深記

4、錄的解釋中增加額外的工作以消除其影響或者打印出受大于一定輸入閾值濾波影響的斷面點來探測粗差,或者直接繪出等深線圖形再通過目視檢查憑經驗確定2,5。這種方法顯然不適宜于大規(guī)模快速測量數據的自動化處理。為了得到覆蓋全海區(qū)的海深數據,須將相鄰條帶之間的數據拼接起來。通過條帶拼接也可以消減條帶模型的各種扭曲誤差。常規(guī)的方法是基于圖形拼接的方式,即先由測深數據插繪每一條帶的等深線圖形,再將相鄰條帶的等深線圖形拼接起來。實際上,這種拼接處理只能解決重疊區(qū)域若干線跡的誤差均衡問題,而不能解決連續(xù)覆蓋問題。另外,由于相鄰條帶之間的重疊特性和采樣數據的非均勻性,最終得到的海深數據存在很大的冗余,因此也有必要進行

5、海深數據的篩選。1誤差分析從理論上講,測深誤差包括粗差、系統(tǒng)誤差和隨機誤差3部分。粗差的絕對值較大,但個數稀少。系統(tǒng)誤差按某種規(guī)律存在于觀測數據之中。粗差和系統(tǒng)誤差是影響觀測數據精度的主要原因。從測量過程看,誤差來源則包括實時測量誤差和非實時測量誤差兩類。前者指實時計算海深和水平距離參數對所需的有關參數的測量誤差,而后朱慶,男,31歲,博士,副教授,現從事數字地面模型和GIS的理論與應用研究。武漢測繪科技大學學報1998年2者則是數據后處理所需數據的測量誤差或算法等因素所產生的誤差。根據誤差與海深的關系,測深誤差又有絕對誤差和相對誤差之分。所謂絕對誤差是指那些跟海水深度值的大小沒有關系的誤差,

6、如艦船升沉測量誤差、潮汐改正誤差、艦船縱橫搖引起的誤差和絕對計時誤差引起的測深誤差等;而相對誤差則指與深度值相關的誤差,如聲速測量誤差和接收波束角測量誤差引起的測深誤差等。對不同來源、不同性質的各種誤差,只有采取相應的處理才能保證測深系統(tǒng)的必要精度。111實時測量誤差影變換、潮汐改正、數據篩選和條帶拼接等數據處理?？梢?非實時測量的誤差可以是由于定位誤差引起的實際海域的深度誤差,或者由于驗潮儀本身的精度及驗潮儀與測深處理系統(tǒng)不同步造成的誤差,以及數據篩選和條帶拼接等處理帶來的誤差等。這類誤差常常包含系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗差3種類型。113航向計算誤差如圖1所示,多波束測深儀每一發(fā)射周期所對i號

7、波束,測距公式為:ri=cti,hi=cticosi(1)式中,ri為第i號波束對應的斜距;c為聲速;hi為第i號波束對應的海深;ti為聲波單程傳播時間;。i為聲線與垂線的夾角可見,實時計算海深hi差、1)、含鹽量和靜水壓力密切相關,而溫度和含鹽量又隨海區(qū)、深度、時間和季節(jié)等海況條件而變化,聲速儀不可能實時提供每一個測量條帶上的聲速,而只能在某一海域、某一時間取若干個聲速剖面測出聲速值并取平均聲速?？梢?測深系統(tǒng)裝定的聲速與實際聲速之間總存在一定的誤差,并且這種誤差在整個海區(qū)呈隨機分布,不可能完全消除。2)測時誤差條帶測深實際測量的是雙程傳播時間,即脈沖從發(fā)射時刻起到每個波束輸出海底反向散射信

8、號為止脈沖信號在海洋中的傳播時間。由于絕對計時與使用頻率、各類噪聲、接收機帶寬和信道多途等因素有關,加上假回聲、聲線彎曲、船的搖擺和升沉運動等因素的影響,所測聲程會與實際聲程不符。因此,時間測量的誤差是十分復雜的,既有系統(tǒng)性的誤差,也有隨機性的誤差。3)測角誤差接收波束角的測量同樣會有誤差。一方面基陣安裝的誤差會導致預成波束的實際方向與理論值不符,而產生系統(tǒng)性的誤差;另外,接收處理器不能及時準確補償艦船的搖擺或儀器本身對搖擺測量不準都會對測角產生影響,而造成系統(tǒng)性和隨機性的測角誤差。112非實時測量誤差在得到最基本的海深數據后,還要根據艦船的定位信息產生覆蓋全海區(qū)的海深數據,進行投圖1海底地形

9、點大地坐標計算示意圖Fig.1TheIllustrationofGeodeticCoordinatesComputationofBathymetricPoint采集的數據包括龍骨點(如B)的大地坐標和左右兩側各16個海底地形點(如中心點0和任意點1)的水深。對任意點而言,波束角是預知的,所以要計算海底地形點1的三維坐標,關鍵在于確定航向BC的方位如式(2):(2)Y1=Depth1×tan×sinBC實際上BC的方位可以簡單地根據B和C的大地坐標反算出來。然而,由于數據采集的中斷和GPS定位的誤差,特別是在艦船改變航向時,這種簡單處理卻難以取得滿意的結果。這種計算航向不準確

10、的誤差往往是影響采樣點大地坐標精度的主要因素。因此對航向進行改正是改善數據質量的必要手段。2誤差處理模型處理系統(tǒng)誤差的有效方式是在知道其規(guī)律的前提下在最接近誤差源的地方對觀測量進行有效的補償或改正;對于粗差,則必須進行有效的探測和定位,最終剔除之;隨機誤差則可以通過最小二乘法平差得到有效解決。然而,因海上測量不可能進行重復觀測,不存在平差的問題,所以對各種隨機誤差也就無法處理,也就不能在平差過程中對粗差進行自動定位。這就要求對粗差和系統(tǒng)誤差進行如下妥善的處理。1)對影響測深精度的幾個關鍵因素如聲速誤第1期朱慶等:多波束測深數據的誤差分析與處理3差、艦船縱橫搖、船的升沉和潮汐等,該系統(tǒng)通過采用先

11、進的定型設備并利用專門裝置進行實時測量與同步補償或記錄有關數據在后處理過程中予以改正。由于許多誤差僅僅分析單個獨立的測深數據往往得不到很好的解決,也難以精確模擬和測量,只有最終從整體上來分析一個區(qū)域的海深數據,盡可能地去逼近或減小這些物理現象的復雜程度3,4。2)為了精確計算航向,將每相鄰的5個艦船龍骨點即航跡采樣點用B樣條函數進行擬合,每個點處的航向根據曲線的法線方向進行計算。為了排除數據中斷的影響,給定一閾值限制相鄰掃描線之間的距離。3)根據3原則,即從統(tǒng)計意義上講,當觀測值與模型值之差(模型誤差)的絕對值大于3倍均方根模型誤差時,則可以認為是小概率事件。(大于3);,為粗差而被剔除掉。該

12、系統(tǒng)采用的最小二乘趨勢面為如下的多項式:jkki=a+bX+cY+dX2+eXY+fY2(4)圖2可視化粗差處理Fig.2VisualizationofGroErrorProcessing論。整體平i和i+1的一個公共(位于重疊區(qū)域根據最小二乘趨勢面內插的點),建立如下的一個誤差方程:-(Vi+1-Vi)=(a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2)i+1-+a5y2)i-(a0(5)+a1x+a2y+a3x2+a4xy(Zi+1-Zi)Depth(x,y)=ak=0i=0xk-iy,(j=2,3)i(3)短條帶用二次多項式,長條帶用三次多項式。由每一個采樣點(深度Depth和大地坐

13、標X、Y均已知)都可以建立一個這樣的方程,經過最小二乘平差即可解算出多項式(3)的系數。將每個采樣點的大地坐標代入該多項式即可計算出相應的模型值,該值與實際觀測值之差稱為模型誤差,由此可以計算整個區(qū)域內所有采樣點的模型誤差的均方根值。由于條帶模型的復雜性,模型誤差大于3的采樣點并不一定都是異常點。為此,我們提供了一種人機交互式的輔助手段,將可疑點附近的一個局部區(qū)域進行基于TIN的三維線框透視顯示,同時突出可疑點位置如圖2所示。在此可視化環(huán)境下,結合區(qū)域地形變化規(guī)律很容易作出準確的判斷。4)經過上述處理,由于各種殘余誤差的影響,條帶模型被扭曲變形,導致相鄰2個條帶重疊部分的數據不一致。為了得到覆

14、蓋全海區(qū)的連續(xù)的測量數據,須將重疊區(qū)域的采樣數據進行拼接處理。我們設計了一種稱為條帶網平差的方法進行整體數據拼接。其基本思想是用如式(4)的二次多項式來表達條帶模型變形:其中,Vi為第i條帶上位置(x,y)處的模型變形改正數;Zi為相應位置處的模型值。由整個測區(qū)的若干條帶的若干公共點便可組建一系列誤差方程,并根據(Vi+1-Vi)2=min解算方程即可得到每一條帶的誤差改正系數。最后再根據式(4)對重疊區(qū)域內的每一個深度數據進行改正即可達到條帶的整體拼接。經過整體拼接處理,相鄰條帶重疊區(qū)域的趨勢面將會一致起來。5)為了合理評價原始觀測數據和條帶拼接后數據的精度,利用趨勢面分析的結果,直接計算相

15、鄰條帶重疊區(qū)域內所有數據點在兩個條帶模型中的模型值之差(稱之為殘差)的均方根,并以此為依據評判數據精度。6)為了保證最后用于建立數據庫的數據分布的無冗余性和一致性,往往需要進行數據篩選處理。數據篩選(即從稠密深度數據點中選取可以代表總體的樣本)的原則是根據深度排序的結果,每確定一個點便排除落在其一定鄰域(影響范圍)內的其它點。對于一個測量條上的若干波束數據,通過差分分析,判斷其中的一些深度數據是否可以由其它相鄰的數據線性內插得到。若是,則可以篩選掉這些數據。最后便能得到一個可以代表全體的沒有冗余數據的重要點集VIP(VeryImpor2武漢測繪科技大學學報1998年4tantPoints)。7

16、)為了保證所有后續(xù)分析和繪圖都基于經過采用一樣的二次多項式模型,所以通過整體拼接處理兩個條帶模型的重疊部分完全一致。改正、拼接和篩選的原始VIP數據,本系統(tǒng)直接利用隨機分布的VIP建立基于Delaunay三角形的不規(guī)則三角網模型TIN。這種DEM具有逼真描述實際地形表面的特點,因而可以利用較簡單的方法從中提取各種地形特征因子如等深線、坡度坡向,并進行三維表面的線框透視和逼真暈渲顯示等。3實驗結果為了檢驗多波束條帶測深系統(tǒng)硬件原型與數據處理軟件的可靠性和實用性,在浙江省新安江水庫進行了試驗。由于整個試驗在風平浪靜的情況下進行,小,當然也沒有潮汐的影響。水深在1870m之間,24個條帶的數據。,這

17、次試驗采用的條帶測深儀只安裝了半個發(fā)射陣(左陣),即每個發(fā)射周期只能得到16個采樣數據,所以每個條帶包含約650條掃描線,每條掃描線有16個數據。圖3所示分別為航向改正前后中心波束的分布情況,如圖4所示為相鄰條帶數據的分布情況,對重疊圖4相鄰條帶整體拼接Fig.4IntegratedMosaicNeighborStrips表1.1RStripsMosaic多項式改正多項式改正域內采的均方根模前的均方根后的均方根樣點數C30DT207C30DT2088645型誤差󰃗m1160921306殘差󰃗m51255殘差󰃗m010004結論本文提出的計算機自動

18、判別和人工審查相結合的方法,有利于對大數據量的粗差進行高效可靠的處理?；跅l帶網法平差的整體數據拼接與常規(guī)的基于等高線的圖形拼接相比,更有利于建立一致性的連續(xù)覆蓋全部海區(qū)的海底地形數據庫。參考文獻1宋文光等.海洋定位重力測量及其地質地球物理解釋.北京:科學出版社,1993.ThedureforUseinIntegratedNavigationSystemsHydrographicJournal,1994(72)4KiellandP,TubmanT.OnEstimatingMapModelEr2(a)航向改正前(b)航向改正后.In:InternationalHy2rorsandGPSPosit

19、ionErrorsdrographicReview,LXXI(2).Monaco,19945NERC.MethodsofDisplayofOceanSurveyData.Australia,1984.1988.圖3實驗據航向改正的結果Fig.3HeadingCorrectionforCaseStudy的相鄰條帶進行了整體拼接處理,結果見表1所示。值得注意的是,由于這次實驗只有兩個條帶存在部分重疊,并且趨勢面分析和模型變形改正都(下轉第46頁)武漢測繪科技大學學報1998年46社,1983.出版社,1991.ResearchonApplicationofPatternRecognitionint

20、heAutomaticRecognitionofHumanBeingsHandWristsYangTingLiuYouguangHuangYoucai(BeijingInstituteofCivilEngineeringandArchitecture,1ZhanlanRoad,Beijing,China,100044)AbstractTheautomaticrecognitionofhumanbeingshandwristsisthekeytotheautoma2tionofboneageevaluating.Basedonacquiringdatawithdigitizinginstrumt,thetheoryandmethodofpatternrecognitiontechniqueandfuzzymaticsarewhichareap2pliedintheautomaticrecognitionofhandwrists.erimtslicationof.patternrecognitiontechniqueissuccessfulKeywordshandwrist;boneage;f